关键词： 机械臂   柔性负载   有限元   轨迹跟踪   振动抑制  

摘要： 随着机器人技术的发展,机械臂操作刚性物体的研究成果已经在许多工业部门得到了广泛应用,但在实际生产中,有很多针对柔性部件的加工还无法用机械臂来完成。因此,研究机械臂操作柔性负载有非常重要的理论意义和工程实用价值。本文结合国家自然科学基金项目“机械臂协调操作柔性负载系统动力学与控制研究”,针对机械臂操作柔性负载系统柔顺控制方法进行了研究。 首先,针对机械臂操作柔性负载系统,利用有限元法和拉格朗日方程,建立了整个控制系统的动力学模型。其次,在所有参数可测的假设下,设计了既可以有效跟踪期望轨迹又可以抑制柔性负载弹性振动的自适应控制器。综合考虑测量误差等因素后,在控制器中加入力反馈和扰动补偿项,从而避免了操作柔性负载的外力对控制效果产生的影响。再次,利用刚性控制的思想在振动模态不可测条件下,采用振动模态补偿方法提高了轨迹跟踪的控制精度,从而使新的自适应控制器对该系统同样具有较好的控制效果。最后,通过仿真研究验证了两个控制器的有效性。

关键词： 磁流变液   屈服应力   有限元分析   非球面   柔顺控制   力位分离   力矩伺服  

摘要： 本文结合国家自然科学基金面上项目(50705044)《模具曲面数控研抛的柔顺控制研究》与宁波市重点实验室开放基金(2007A22005)《基于磁流变液(MRF)的新型柔顺装置及其在模具曲面研抛中的应用》,以非球面柔顺研抛为具体目标,深入研究了磁流变液装置的特性及其在研抛过程中做为力矩伺服部件的应用。 本文针对磁流变液的不同工作模式,提出了以可控比及最大输出力(矩)作为评价指标的磁流变液装置工作模式选择方案,并通过实验验证了此准则的合理性。 针对磁场在阻尼盘间非均匀分布时引起的输出力矩变化不同,本文以相同控制电流、总磁通恒定及平均间隙不变及结构参数为约束条件,以能产生的最大阻尼力矩为指标对三种不同形状的阻尼间隙进行优化设计。提高了磁流变液装置的输出性能。 本文研究了非球面的旋转体特性,并将磁流变液装置应用为其研抛加工的力矩伺服机构,提出了研抛加工中的力控空间与位控空间可据此进行解耦分享的理论,将工作样机与数控机床结合,实现了力/位的分离同步控制,有效解决了柔顺控制过程中的影响变量多且互相影响难以在线控制的难题。 本文将磁流变液应用于可变阻尼力矩伺服工具,充分利用了这种智能材料所独有的粘度可控可逆、变化范围广且响应迅速等特点,将开辟磁流变液用于智能执行元器件的新领域;

关键词： 自由曲面   被动腕关节   形状自适应   柔顺控制  

摘要： 目前在以机器人等自动化装备代替手工劳动实现曲面研抛作业的柔顺控制中,通过在其末端执行器安装弹簧、阻尼等被动柔顺结构以实现柔顺控制的做法较为普遍。这种力/位混合控制方法是一种时变的强耦合性和高度非线性弱化的策略,实现位移-位姿-力的控制非常困难而且精度较低,控制不平稳,不能解决研抛加工时要求的产生任意力的高柔性和机器人本身在操作时的位置和结构的高刚度之间的矛盾。 本文针对曲面研抛过程中对工具位姿以及法向压力的柔顺控制要求,设计了一种可以与机器人或者五轴数控机床有效集成的自由曲面形状自适应柔顺工具系统。在软件编程中对力/位混合空间解耦处理成两个独立的子空间后,分别对力与位置进行控制,即通过工具系统中设计的被动腕关节伺服机构配合机器人对加工轨迹的控制实现其对自由曲面表面形状的自适应,通过直线步进电机和弹簧系统对法向力进行主动控制。文中利用ADAMS建立了工具系统的虚拟样机,通过建立三种典型的自由曲面工件模型:正弦曲面、椭球曲面以及一种吸尘器上盖曲面进行仿真实验,研究了工具系统在进给过程中法线的变化与工件表面法线变化的拟合程度以考查工具系统对自由曲面工件形状的自适应性能;在MATLAB中建立了控制系统的传递函数模型,设计了常规PID控制器以及模糊PID控制器,并利用Simulink对系统性能进行了仿真实验;通过设计角度自适应PID控制器,对控制系统进行了优化。本文还搭建了工具系统进行自适应性与力控制研究的实验系统平台,利用LabVIEW编制了数据采集和法向力控制软件,通过选用具有代表性的自由曲面工件的不同形状轮廓:凸曲面、凹曲面和平面,进行模拟工具系统安装在机器人上的柔顺控制实验,验证了工具系统对自由曲面形状具有良好的自适应性以及对法向力具有较好的控制性能。 理论研究和实验验证表明,本文中研制的工具系统在对自由曲面进行跟踪的同时能够实现力和位置的混合控制。

关键词： 膝关节   康复   气动人工肌肉   柔顺性  

摘要： 持续被动运动（Continuous Passive Motion,简称CPM）是目前膝关节损伤患者术后康复训练的重要方法。传统的CPM康复训练器械多是机械-电机式的,虽然可以达到很高的位置精度,但为患者提供的是刚性、被动的锻炼。传统的CPM机与患者的刚性接触容易对患者造成二次伤害;另一方面,被动运动无法满足患者康复后期肢体的肌肉力量训练要求,而大量的临床观察和统计表明:术后进行主-被动综合训练与只进行被动训练相比,可明显减轻患者疼痛,加快关节功能康复。因此,研究开发一种柔顺的主-被动结合的新型膝关节康复训练器,具有重要的学术意义和实际应用价值。 围绕这一目标,论文完成的主要工作和取得的成果有: （1）论文首次研究并提出了一种利用气动人工肌肉和气缸串联组成复合驱动器作为动力源的新型柔顺膝关节康复器械新结构。利用气动人工肌肉的柔顺性,克服了传统CPM机只提供刚性训练的弊端。利用气缸的长行程解决了气动肌肉行程短导致膝关节弯曲角度小的技术难题。通过单独控制气缸两腔压力来灵活驱动活塞自由伸缩,实现了膝关节康复器主动训练功能。 （2）为了实现不同康复阶段对不同训练要求的控制,对膝关节康复器的控制系统进行研究。根据研究的实际情况,确定了PC机+数据采集卡的控制方法,软件控制平台选择LabVIEW软件对传感器和控制阀进行控制。各训练参数在模块中均可调,满足了人机交互要求。通过控制各驱动器工作压力及压力变化方式,实现了膝关节康复器的周期、平稳动作。 （3）研究建立了柔顺膝关节康复器的理论模型,并对柔顺康复器样机的工作特性进行了试验研究。结果表明:康复器在被动和主动运动方式下的最大转角分别为82°和130°。在试验对象体重为45kg的情况下,康复器完成一个弯曲伸展周期的时间为25s,速度为6°/s,平均角加速度为2.5°/s2。试验结果同时表明康复器满足了柔顺性和主.被动训练相结合的功能要求。 所研发的柔顺膝关节康复器实现了柔顺性和主-被动训练相结合的功能要求,同时整个康复器样机结构紧凑,重量轻,具有很好的应用前景。

关键词： 空间对接   柔顺   力控制   鲁棒  

摘要： 研究空间对接中的柔顺力控制;利用基于位置内环柔顺力控制的六自由度并联机器人来模拟空间对接强制校正阶段的推拉过程。介绍了基于位置内环的柔顺力控制结构。详细阐述PID控制器、鲁棒控制器的综合设计方法。仿真和实验结果表明了所设计力控制器的有效性以及鲁棒力控制器的优越性。

关键词： compliant motion control   friction   hard nonlinearity   impedance control   time-delay control (TDC)  

摘要： A simple robust compliant-motion-control technique is presented for a robot manipulator with nonlinear friction. The control technique incorporates both time-delay-estimation technique and ideal velocity feedback;the former is used to cancel out soft nonlinearities, and the latter serves to reduce the effect of hard nonlinearities, including Coulomb friction and stiction. The proposed controller has a simple structure and yet provides good online friction compensation without modeling friction. The robustness of the proposed method has been confirmed through comparisons with other controllers in 2-DOF SCARA-type industrial robot experiments.

关键词： 机器人   研抛   控制系统   PID  

摘要： 随着我国经济的腾飞和产品制造业的飞速发展,对模具自由曲面的加工质量和效率的要求越来越高,高质量、高效率和低成本的模具加工技术越来越受到广泛的关注,对低成本、高效率、高柔性的精密加工工艺装备的需求迅猛增加,而机器人辅助模具研抛是实现模具研抛自动化的重要手段之一,它对提高研抛效率,保证产品质量,降低工人劳动强度等方面具有重要意义。 本文在总结国内外机器人辅助模具研抛研究现状的基础上,对微小研抛机器人的总体方案进行了研究,开发了微小研抛机器人加工系统,利用Pro/E软件对加工系统进行了三维建模。对微小研抛机器人加工控制系统进行了研究,搭建了控制系统硬件平台;对PCL-818L等硬件构成进行了详细的研究,设计了气动控制回路,并对整个控制系统进行了调试和试验。建立了气动柔顺控制系统数学模型,对模型进行适当简化后得出了系统的传递函数,对控制系统的动态响应特性及稳定性进行了仿真分析,并就常规PID调节用于气动控制系统对控制系统的动态响应特性及稳定性进行了优化处理,选择适当的调节参数,使控制系统的各项性能得到了明显的改善,达到了较优的控制特性。

关键词： 气液联控   脉宽调制   阻抗   内环位置控制   柔顺力控制  

摘要： 气液联控伺服系统是将可压缩性小、粘度较大的液体介质引入到常规气压伺服系统中并进行控制而构成的一种新型的气、液介质复合控制系统。它将气体介质“柔”的特性与液体介质“刚”的特性融为一体,即保持了气动系统所具有的快速性的优点,又具有较好的刚度。此特点对于机器人的柔顺力控制非常有利,故此本课题针对气液联控伺服系统进行了柔顺力控制的研究。 在查阅大量国内外相关文献的基础上,总结了气液联控伺服系统的发展背景及研究现状。对柔顺力控制的发展现状进行了分析,阐述了常用的柔顺力控制策略及其控制中的关键问题。通过对国内外相关研究的分析,确定了本文的主要研究方向。 与其它气压伺服系统相比,PWM电-气开关/伺服系统具有更适用于连续控制及造价较低等优点,因此得到了广泛的应用。但PWM气压伺服系统具有严重非线性,建模困难,这就阻碍了它的发展。为此本文应用非线性PWM平均方法将原离散多输入模型转换为连续单输入模型,简化后的模型更有利于对系统的研究。 阻抗控制能够实现位移与力的统一控制,是实现柔顺力控制的主要理论依据之一。论文将基于力和基于位置的阻抗控制方法分别应用于气液联控系统中,通过仿真分析两种阻抗控制性能及阻抗参数变化对系统控制性能的影响规律。由于基于位置的阻抗控制性能更好,更易于应用于柔顺力控制中,故此本文重点针对基于位置的阻抗控制进行研究。 内环位置控制器的性能在一定程度上影响柔顺力控制的性能,为进一步提高系统性能,本文应用非线性控制理论对气液联控系统的状态方程进行了研究,提出了滑模变结构控制策略。根据相对阶的定义判断系统阶次,在此基础上设计了三阶滑模面变结构控制器,并对其进行了仿真研究。但该三阶滑模控制器所含参数复杂且相互之间耦合,控制效果并不理想。故此进行了滑模面的降阶,设计了二阶滑模面变结构控制器,并对其进行了仿真研究,仿真结果表明滑模变结构控制改善了系统的快速性,提高了系统的跟踪性能。 柔顺力控制过程中,环境参数的已知与否对系统控制策略的选取有很大影响,并直接影响到控制的效果。本文将环境参数归纳为三种情况:环境参数已知时不变、环境参数未知时不变、环境参数未知时变。分别针对此三种情况提出了模糊阻抗控制方法、直接自适应控制方法、间接自适应控制等方法。实现了不同环境参数下的柔顺力控制。 最后,搭建了气液联控柔顺力控制系统实验台,编制了计算机控制软件和完整的实验方案。通过对系统的仿真和实验研究证明,本文设计的实验系统和控制软件是成功的,阐述的理论和观点是正确的,设计的控制器是合理可行的。 论文的研究为气液联控系统进一步应用到气动工业机器人的柔顺力控制中奠定了基础。

关键词： 三肢体机器人   运动规划   遗传算法   柔顺控制  

摘要： 人类研究制作机器人的目的是使其能够取代或者协助人类自身完成各项工作，例如一些乏味的制造类工作或是一些危险性工作。机器人通过模拟人类或生物的某种功能而具备完成任务的能力。通常情况下，操作和移动是机器人所应具有的最基本功能。操作功能由机器人手臂机构实现，移动功能由腿机构、车轮或履带机构完成。此种设计方法使得机器人需要更多的机构自由度及相应的驱动元件，这将导致机器人机构设计变得复杂及其本体重量的增加，降低了机器人的负载能力及移动的灵活性。本文提及的三肢体机器人采用将移动机构与操作机构融为一体的设计方法，有效地解决了由于机构独立设计带来的机器人本体体积及重量增大、负载能力降低以及系统结构复杂的问题，对移动机器人的研究与应用具有十分重要的意义。相应地，此种新颖的肢体机器人设计在运动规划和控制层面上也带来了新的问题及挑战。　　为了方便操作者对三肢体机器人进行控制和规划，本文提出了集成交互环境系统（Integrative Interaction Environment，IIE），它是集三肢体机器人运动规划、柔顺控制、动力学仿真、人机通讯和虚拟环境于一体的人机图形交互系统。IIE系统采用模块化结构进行设计，每一个软件模块都能够方便地更新与替换。基于集成交互环境的系统框架，划分为五个关键层面的子系统——运动规划子系统、柔顺控制子系统、动力学仿真子系统、人机通讯子系统和虚拟环境子系统。采用统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）对各子系统进行了分析与设计，并在JAVA/JAVA3D开发平台上给予实现。　　三肢体机器人的每个肢体末端是永磁吸附机构，行进过程中通过与接触表面吸附赋予机器人平稳运动的能力。吸附的可靠性是三肢体机器人行走与操作过程稳定性的决定因素。为了获得可靠的吸附，本文采用牛顿-欧拉方法建立了三肢体机器人的动力学模型，基于该模型对机器人的稳定性问题进行了全面地分析。建立了三肢体机器人的能量消耗模型，提出嵌套优化遗传算法对时间及能量进行优化计算，在与传统遗传算法计算耗时相同的情况下提高了优化结果的精度。　　三肢体机器人采用新颖的三分支机构，使其具有多种灵活的基本运动步态，如蠕动步态、翻转步态、交叉步态和转向步态等，基本步态用以实现同一平面内的行走。本文采用模糊推理方法，在基本步态基础之上生成演化步态，用以实现两交叉平面间的行走。随后提出了基于向量场的三肢体机器人3D动态空间导航策略，实现了机器人在3D动态空间中的无碰撞行走。　　三肢体机器人是多关节冗余度机器人，由于冗余度机器人的运动学方程式中系数矩阵的秩大于增广矩阵的秩而无法对之求解。传统的做法中一般是要在寻求路径的某些过程中牺牲一些关节以求得唯一解。但是此类做法严重影响了多关节机器人的灵活性，违背了设计者的初衷。鉴于此，本文提出一种新的渐进式遗传算法，将笛卡尔空间坐标位姿能够自动、有效地映射到关节空间，最大限度保留了多关节机器人的灵活性。同时提出变策略遗传算法，解决渐进式遗传算法在动态环境应用中出现的振荡和易陷入局部极小点的问题。　　三肢体机器人在行走和操作时所接触的环境刚度变化范围很大，对其进行相应的柔顺控制有利于提高系统的稳定性和鲁棒性。本文设计了三维力/力矩传感器和模糊自适应控制器来提高三肢体机器人对不同环境刚度的适应能力。实验证明了该柔顺控制系统的有效性和可行性。　　最后，建立了三肢体机器人的硬件实验系统，进行了基本步态、演化步态、渐进式遗传算法规划和变策略遗传算法规划实验。实验结果验证了三肢体机器人步态设计的合理性以及机器人演化步态、运动规划、能量优化控制策略的有效性。

关键词： 机器人   柔顺控制   轴孔装配   腕力传感器   运动学反解  

摘要： 机器人主动柔顺控制是新兴智能制造中的一项关键技术,轴孔装配在企业生产中有着极其广泛的应用。为了便于对机器人的柔顺控制策略和轴孔装配实验进行研究,促进机器人智能控制的应用推广,论文针对MOTOMAN—UP6型垂直6关节机器人建立了一个相对开放的机器人柔顺控制研究平台。对该机器人轴孔装配作业进行了实验研究。利用机器人的示教编程,进行孔的位置初步定位。当机器人末端固定轴碰到孔周围的倒角时,通过程序分析机器人末端六维腕力传感器的反馈数据,进而判断孔的柔顺中心方向。利用运动学反解方程计算机器人下一步执行动作的各关节电机脉冲数,不断调整机器人位姿,使轴可以顺利插入到孔中,并达到和孔内壁零接触。验证了一种轴孔装配的柔顺控制策略一力/位混合控制策略。 论文针对带倒角的孔的装配过程进行了受力分析,计算了机器人位姿的运动学反解方程,设计了装配方案并编写了程序。该实验研究将机器人控制柜、腕力传感器和计算机连接,对带倒角的孔进行了轴孔装配实验,实现了在孔台的水平面x轴正负10度和170～190度范围内的柔顺装配。实验得到令人满意的结果。为其它情况下的轴孔装配提供了实验数据以及研究平台。